Нелинейная магнитооптика слоистых структур

на правах рукописиРаздольский Илья ЭрнстовичНЕЛИНЕЙНАЯ МАГНИТООПТИКА СЛОИСТЫХСТРУКТУРСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2010Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Акципетров Олег АндреевичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наукпрофессор Гордиенко Вячеслав Михайлович,кафедра общей физики и волновых процессовфизического факультета МГУимени М.В. Ломоносовакандидат физико-математических наукМерзликин Александр Михайлович,Институт теоретической и прикладнойэлектродинамики ОИВТ РАН, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наук”Физический институт имени П.Н.

Лебедева РАН”,МоскваЗащита состоится 23 сентября 2010 г. в 17–30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, стр.

62, корпус нелинейной оптики,аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “”Ученый секретарь диссертационногосовета Д 501.001.31, доцент2010 г.Т.М. ИльиноваОбщая характеристика работыДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованиюквадратичного и кубичного нелинейно-оптического отклика слоистых планарных структур. Основными исследованными эффектами являются генерация магнитоиндуцированной второй гармоники (ВГ), самовоздействие света, а также эффекты сверхбыстрой динамики и оптически индуцированноготранспорта горячих спин-поляризованных носителей в магнитной металлической пленке.Усиление нелинейно-оптического отклика микро- и наноструктур можетбыть достигнуто за счëт увеличения напряженности локального электромагнитного поля излучения накачки и/или гармоники, а также эффекта фазового синхронизма.

Например, оптические локальные поля усиливаются за счетлокализации электромагнитного поля в микрообластях как в резонаторах,что приводит к резонансному возрастанию оптического поля в активном слоевещества; в определенном спектральном диапазоне схожий эффект достигается в периодических структурах с измененным вследствие этого законом дисперсии.

Фазовый синхронизм реализуется, например, при непосредственномравенстве показателей преломления волн накачки и гармоник в двулучепреломляющих кристаллах, или в средах с периодической модуляцией показателя преломления и/или нелинейных восприимчивостей за счет добавления кволновому вектору одной из взаимодействующих волн вектора обратной решетки периодической среды и изменения закона дисперсии света.

Последнееобстоятельство, эффективно замедляющее распространение света в структуре и увеличивающее время взаимодействия излучения со средой, способноприводить к увеличению многих нелинейно-оптических явлений.Структуры с периодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью называются фотонными кристаллами (ФК). Варьирование оптических параметров с периодом порядка длины волны изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля: появляется запретна распространение электромагнитных волн внутри структуры в некоторомчастотно-угловом диапазоне, и возникает фотонная запрещенная зона (ФЗЗ),что обуславливает разнообразные перспективы применения ФК. Помещениеактивного вещества в ФК, служащий резонатором, делает возможным создание лазеров с предельно низким порогом генерации.

Благодаря своим особымдисперсионным свойствам ФК оказываются весьма полезны в физике сверхкоротких световых импульсов. Сдвиг запрещенной зоны под действием света-1 -в нелинейных ФК является основой для создания оптических логических элементов.Исследование динамики намагниченности наноструктур представляет собой интенсивно развивающуюся область исследований. Поводом для этогоявляется спрос на компактные и малопотребляющие устройства запоминания информации, в которых основным физическим принципом работы является магнитное упорядочение. При этом направление намагниченности играет роль того логического индикатора, который определяет, какое значение,"ноль" или "единица" , записано в данной ячейке памяти.

Направление, в котором происходит развитие технологий в этой области, можно, прежде всего,охарактеризовать стремлением к увеличению быстродействия. Современныекоммерческие устройства оперируют частотами в несколько гигагерц, то есть,фактически время операции или переключения между состояниями ограничено наносекундным масштабом.В связи с этим представляется логичным попытаться использовать оптические средства управления подобными системами. Для современных лазерных источников света не является проблемой генерировать импульсы фемтосекундной длительности, что могло бы значительно расширить горизонтбыстродействия запоминающих устройств. Описанная выше прикладная область физики требует фундаментальных исследований сверхбыстрых (имеются в виду фемтосекундные масштабы) процессов в магнитных структурах,включая влияние лазерного импульса на намагниченность среды, энергетическое распределение электронов и оптический отклик образца.

Тесно связанос этой темой исследование динамики спиновой поляризации носителей, ихтранспорта в среде и возможности оптическими методами генерировать импульсы спин-поляризованного тока.Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование нелинейно-оптического и магнитооптического отклика фотонных кристаллов и микрорезонаторов, включая детальное изучение эффектов самовоздействия света в подобных структурах, а также изучение транспорта спинполяризованных носителей в бислойной пленке Au/Fe на фемто- и пикосекундных масштабах времени методом генерации магнитоиндуцированнойвторой гармоники в экспериментальной схеме "накачка-зондирование" .Актуальность работы обусловлена фундаментальным интересом к усилению нелинейно-оптических эффектов в периодических структурах, включаянепараметрические процессы, а также к исследованию квадратичного и кубичного отклика новых высококачественных микрорезонаторных структурна основе гранатов.

Кроме того, актуальность работы связана с изучением-2 -сверхбыстрых процессов в ферромагнетиках, которые, помимо своей фундаментальной значимости для физики магнетизма на фемтосекундных масштабах времени, обладают перспективами с точки зрения прикладных задач генерации тока спин-поляризованных носителей. Представляется актуальными выбор объектов исследований - нано- и микроструктур магнетиков, физикакоторых является динамично развивающейся областью науки.Научная новизна работы состоит в следующем:• Обнаружено усиление эффекта самофокусировки излучения в композитном полимерном микрорезонаторе с фотоннокристаллическими зеркалами из пористого кремния и в микрорезонаторах на основе гранатов.Обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации излучения от плотности мощности излучения, для чего была разработанаполяризационная методика z-сканирования.• Обнаружено усиление эффекта самовоздействия излучения в фотонномкристалле на краю фотонной запрещенной зоны, являющееся следствием оптического аналога эффекта Боррманна.• Нелинейно-оптическим методом "накачка-зондирование" проведено исследование фемтосекундного спин-поляризованного транспорта носителей в эпитаксиальных пленках Au/Fe/MgO.

Показано, что транспортосновных и неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации носит принципиально различный - баллистический и диффузионный - характер, что приводит к изменению знака магнитного контраста.Научная и практическая значимость работы заключается в демонстрацииприкладных возможностей использования новых нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах и микрорезонаторах, в наблюдении значительных для прикладных отраслей науки величин магнитоиндуцированныхэффектов во второй гармонике в микрорезонаторной структуре на основегранатов, а также в демонстрации механизма оптического возбуждения фемтосекундных импульсов спин-поляризованного тока вместе с получением детальной картины поведения намагниченности в нанометровых пленках железа под действием как мощного лазерного излучения, так и импульса горячихинжектированных электронов.На защиту выносятся следующие положения:1.

В фотоннокристаллических микрорезонаторах с дефектным слоем наоснове гранатов экспериментально наблюдался эффект самодефокуси-3 -ровки излучения. Механизм усиления эффекта по сравнению с однородной пленкой обусловлен сильной локализацией электромагнитного поляв микрорезонаторном слое.2. Экспериментально обнаружена спектральная зависимость эффекта самодефокусировки излучения в фотонных кристаллах на основе ферритграната на длинноволновом краю ФЗЗ, которая связывается с перераспределением оптического поля внутри элементарной ячейки ФК, чтоявляется оптическим следствием эффекта Боррманна.3.

В фотоннокристаллическом микрорезонаторе на основе феррит-гранатас висмутом обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации от плотности мощности зондирующего излучения. Поворот плоскости поляризации связывается с нелинейной добавкой к двулучепреломлению микрорезонаторного слоя.4. Нелинейно-оптическим методом накачка-зондирование проведено исследование фемтосекундного спин-поляризованного транспорта носителей в эпитаксиальных пленках Au/Fe/MgO. В сигнале ВГ от поверхности золота обнаружен динамический магнитный контраст до1.5%, связанный с появлением в поверхностном слое инжектированныхспин-поляризованных баллистических носителей. Транспорт основныхи неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации носитпринципиально различный - баллистический и диффузионный - характер.Апробация результатов работы проводилась на международных конференциях: "Moscow International Symposium on Magnetism” (Москва, Россия, 2008), ”Nanostructures: Physics and Technology” (Санкт-Петербург, Россия, 2006), ”Spin waves” (Санкт-Петербург, Россия, 2009), ”Week of DoctoralStudents” (Прага, Чехия, 2008), ”3rd International Congress on AdvancedElectromagnetic Materials in Microwaves and Optics” (Лондон, СоединенноеКоролевство Великобритании и Северной Ирландии, 2009).